文 / 程樹德
《詩經》魏風有〈碩鼠〉一詩，「碩鼠碩鼠， 無食我黍，三歲貫女，莫我肯顧，逝將去女，適彼樂土」。婉約的詩人將壞統治者比喻做大肥鼠，雖長年供養著牠，但牠不肯為人民謀福利，只好離開肥鼠到理想的新樂土去。現代歷史學者麥克尼爾（W. McNeil）寫他名著《瘟疫與人》時，也幽默地將病原稱為微寄生蟲，將暴虐的掌權者稱為「巨寄生蟲」。
寄生蟲上身
不管是微寄生蟲或巨寄生蟲，被利用的生物總要用某些方法來祛除寄生蟲，例如動植物群體會以突變方式產生抵抗力，以防止寄生蟲上身。縱使寄主擺脫不了寄生蟲，寄生蟲會因長遠利益，不會陷寄主於劣勢，因為一旦寄主不能在天擇中生存，寄生蟲自然也被淘汰。故從長久演化眼光來看，寄生蟲畢竟需要與寄主同舟共濟，一齊生存。
最經典的例子，是有核細胞內的兩種胞器，粒線體和葉綠體。依照科學家馬古里斯（Lynn Margulis, 1938~2011）所提倡的內共生理論，這兩種小胞器，很早前皆是獨立生存的細菌，大約在17億~20億年前，進入真核細胞的細胞質內。再經共同演化過程後，原粒線體為細胞提供呼吸的能力，原葉綠體讓細胞捕捉光能，這兩種能力，大大拓展了真核細胞的生存能力，進而促進多細胞生物的演化。
但進入細胞的細菌，並不只限於粒線體和葉綠體。近90年前（西元1924年），渥巴赫（S.Burt Wolbach）及赫提許（Marshall Hertig）從庫蚊（Culex pipientis）體內，發現了類似立克次菌（rickettsia）的細菌。12年後賀氏將之申報為新種新屬，命名為渥倍奇菌（Wolbachia pipientis）。其後不曾引發學者的興趣，直到1971年，在洛杉磯加州大學的嚴珍妮（Janice Yen）及巴爾（A.R.Barr）發現，雌庫蚊若沒被渥倍奇菌感染，它的卵在受精後，會被受菌感染的雄蚊精子所殺死，這奇怪現象稱「細胞質不相容性」（cytoplasmic incompatibility）。1990年，加州大學河濱分校的史陶塞莫（R. Stouthamer）發現渥倍奇菌能讓某些昆蟲進行孤雌生殖，即不需要有雄性的參與，就能雌生雌，一代代傳衍下去。這兩個稀奇現象，大大挑動了學者的興趣，使這渥倍奇菌成了研究的寵兒。
渥倍奇菌
經過這二十多年的研究，研究學者知道渥倍奇菌普遍存於昆蟲內，經過統計分析，它可能感染了65％以上的昆蟲之種；另外也能感染其他節肢動物，如、蜘蛛、蠍子及等足目（Isopods），以及線蟲中的絲蟲（Filarial nematode），使它成為粒線體及葉綠體外，最廣泛的細胞內共生菌。
由於現代DNA定序能力突飛猛進，兩株渥倍奇菌的全基因體核酸順序已被訂出，均只有一百多萬鹼基對，算是頗短的。在立克次菌這一目，基因體都不大，在80~210萬之間，這狀況是否因它們長期寄生細胞內，而有縮減之勢？渥倍奇DNA含有許多重複序列、病毒痕跡以及跳躍基因，但沒有保留完整的管家基因（housekeeping genes），即幫助它們在營養上，較能獨立生存的基因。這是否意味，它們已完全放棄了胞外生長的能力呢？至少目前，沒人能在培養皿內，不加昆蟲細胞，而能讓它生長，這也使研究略為困難。
扭曲寄主生殖能力
渥倍奇菌善於扭曲寄主的生殖能力，其「細胞質不相容性」是首先被發現的。現今的理論假設，渥倍奇菌先改變精子形成過程的某些步驟，而精子須進入被同種菌感染的未受精卵之後，方能擺脫前一個改變；若精子進了沒感染之卵，或受不同種菌感染的卵，則卵不能發育而死。
菌何以下此毒手，害了自己寄主的精子？它不能與別菌和平共存嗎？原來渥倍奇菌不能承載於精子上，卻能住在卵子內，這就可以由「競爭」或「自私」立場來解釋了。菌既無法由精子散播，反倒能以它為毒餌，破壞同一寄主族群內，其他雌寄主的生存機會，間接促進同種細菌所寄生的雌昆蟲的生存競爭能力，這真是了不起的巧詐呢！
雖然我們對菌這項分子機制的操作方法，尚不明瞭，但從細胞學階層分析中，倒有了較可信的理論。渥倍奇菌似可在延緩精子形成時，有絲分裂的過程，使其核內染色體沒有緊縮，而一旦受精後，雌核與雄核分裂因不同調，以致死亡。
第二項對生殖的扭曲，是「孤雌生殖」，即受菌感染的雌寄主，卵不必受精，即能發育為雌幼蟲。從演化邏輯言之，這很符合菌的生存利益，既然雌寄主要花不少精力尋找配偶，何不改變它為無性生殖呢？是以菌似乎能使減數分裂失敗，造成未受精卵內，已有雙套染色體，就可直接發育。
第三項對寄主的改造，是「變雄為雌」。既然雄寄主難以當散播媒介，何不將之變性呢？這現象先發現於等足目的動物內。細菌可寄生於雄性腺內，使之肥大而喪失功能，進而讓寄主發育成雌性，而在菌所感染的鱗翅目及半翅目昆蟲內，菌似乎干涉性別決定過程，讓昆蟲向雌性發育。
第四項能力是「殺死雄性」。從菌的利益來說，雌後代價值高於雄後代，故讓寄主生出全雌的後代，有較大好處。當初研究人員從鱗翅目這一昆蟲（Ostrinia scapulalis）發現全雌的後代時，以為這是菌變雄為雌的把戲（前述第三項能力），但當用四環素餵雌寄主，以除掉渥倍奇菌後，雌寄主所生一窩幼蟲，全是雄性，這就與第三項現象不符合了，因若為第三項現象，則菌被清除後，該是雌雄兼具呢！仔細研究後，方知有菌寄生時，雄卵先雌化，再死亡；而無菌時，雌卵在發育成幼蟲時都死了。這是致死性的雌化現象。
傳染方式
由於渥倍奇菌能造成廣泛的感染，以致進入百萬種以上昆蟲內。究竟它如何傳染呢？由於它不能在細胞外生長，直接取菌注入昆蟲卵內，是實驗室內可行的方法；在大自然中，寄生蜂或許是傳播細菌的媒介之一，它的產卵管可像注射針一般，將細菌由一種昆蟲，帶入另一種蟲子。此外，研究者也發現，在實驗室技術下，目前雖然沒法讓細菌脫離細胞而獨立生長，但在室溫下，分離出來的細菌仍能存活一週以上。這種堅韌的存活力，或能讓細菌有他種傳染方式，如昆蟲間打鬥或相食，細菌可由口或傷口進入；如細菌沾附植物上，或許能被昆蟲食入？
細菌一旦進入寄主，渥倍奇菌怎樣行動呢？佛里曼等人（Frydman, et al.）曾將菌注入成年黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）體內，再追蹤其去向。發現菌能進入卵巢，先集中於體幹細胞的養護細胞（somatic stem cell niche, SSCN）內，這些細胞位於幹細胞旁，負責支撐幹細胞的增殖，而幹細胞則有分裂能力，可補充耗損的體細胞，細菌從這一據點，進入體幹細胞及生殖幹細胞（germline stem cell），最後進入發育中的卵細胞，由此進入寄主的後代子女中。
過往二十多年，對渥倍奇菌的熱烈研究，一方面基於好奇心，希望知道它如何扭曲寄主的生殖，另一方面也頗具實用價值，例如絲蟲能引發人類的象人症（elephantiasis）。此症是因大量絲蟲堵塞了淋巴系統的體液回流，造成巨大的睪丸、臀部或大腿。而渥倍奇菌所呈現的蛋白質，或許就是引發發炎反應的嫌犯，由於長久的共同演化，絲蟲要依賴菌方能生存，故用抗生素除菌，成了治療絲蟲症的新方向。
渥倍奇菌能造成寄主生殖障礙，也成了控制害蟲族群的可能方法。這原理與以前曾施行過的，釋放大量不孕雄性昆蟲，以與野生雄蟲競爭交配，進而降低族群內子代個體數目的「生物防治法」（biological control）頗為相似。此外能傳播登革熱病毒的伊蚊（Aedes）也有共生的渥倍奇菌，有人設法除掉菌，以促蚊子速死，讓它來不及傳播病毒。
從寄生到互利共生
寄生蟲在長期演化過程中，能否漸變成互利共生，仍是演化生物學者關懷的問題。渥倍奇菌與昆蟲，正是很好的研究材料。西元2007年，以澳洲墨爾本大學的威克絲（A. R.Weeks）帶頭的團隊報告指出，只需20年時間，就能觀察到「渥倍奇菌由寄生，向互利共生演化」。
1986年霍夫曼發現，加州南部的一種擬果蠅（D. simulans）有此菌寄生，也有細胞質不相容現象；後續威克絲發現，原來受感染族群，只限於加州南部之得哈洽彼橫斷山脈以南（Tehachapi Range），但向北移動速度頗快，10年內北進700公里，現已廣泛存於北美大陸各擬果蠅的族群內。在1980年代，菌寄生後，使雌蠅產卵數降低了15~20％，表示這是對個體生殖有害之寄生現象。而它仍能擴充感染率，就因菌有一個殺手，即前述第一項現象，讓沒被感染的雌蠅失去所有子代，進而擴充受感染蠅在下一代族群中的比例。
威氏於2002及2004年收集加州爾灣（Irvine）及河邊兩地多株的野生果蠅，養於實驗室中，並用抗生素殺滅渥倍奇菌，建立無菌果蠅族群。接著測量有菌或無菌雌蠅，在5天及10天內的產卵數，並予統計分析。威氏發現2002年及2004年的野生受感染雌蠅，平均產卵率已高出未受感染蠅10％。
短短二十年內，由有害的寄主，變為有利的共生，且其產卵率差異達25~30％，是很驚人的，細菌怎麼來操縱雌蠅呢？在細胞階層的運作，2011年由波士頓大學佛里曼領導之團隊揭密。
這個團隊先前用顯微鏡觀察黑腹果蠅的卵巢， 發現菌集中在體幹細胞之養護細胞（somatic stem cell niche, SSCN）中，這是支撐體幹細胞分裂的支持細胞，正如人類的濾泡細胞團團圍繞著發育之中的卵細胞，幫助它儲存大量養分。
我們得先知道卵巢的細部結構，想像有兩隻「佛手」，其果蒂端由一隻丫型管連在一齊，丫型管即輸卵管，其底部就是卵從母體擠出來的端點。佛手的每一根指頭，叫做小卵巢（ovariole）或卵巢枝（germarium），由一連串不同發育過程的卵細胞，及其養護細胞所構成。其指頭最頂端，像是長了尖尾巴的俄羅斯娃娃（圖三）。這娃娃的尾巴是生殖幹細胞的養護細胞（germline stem cell niche, GSCN），這些細胞支持其頂部的生殖幹細胞（germline stem cell）分裂，生殖幹細胞就位於俄羅斯娃娃的臀部。當生殖幹細胞分裂後，其一仍當幹細胞，另一進行分化，準備變成卵子。位於俄羅斯娃娃腰部外圈的體幹細胞也大量分裂，造成濾泡細胞，包裹住發育中的卵細胞，形成卵室（egg chamber）。卵室因堆積卵黃而增大，成了俄羅斯娃娃的頭部，頭部再擴大就脫離娃娃，成卵圓形卵室，最後成熟為卵，經由丫型輸卵管排出。
佛氏團隊用毛里秀斯果蠅（D. mauritiana）當研究材料，發現其受感染雌蠅產卵數，竟為未感染者4倍，這麼大的差異，遠超過威克絲的野生擬果蠅（D. simulans）。他們細查其卵巢，見細菌也聚集在生殖幹細胞之養護細胞內，是否細菌能操控這些細胞，進而促進生殖幹細胞的分裂頻率呢？為回答這問題，他們用三種生物化學指標來測其分裂活動，其一是磷酸組蛋白（phospho-histone H3）的抗體，這種蛋白存於進行有絲分裂之細胞中；其二是核酸DNA合成指標，溴尿嘧啶；其三是融合體（fusome），這是像驚嘆號形狀的細胞器官，只存於生殖幹細胞內。三種指標都顯示，被菌感染的卵巢，生殖幹細胞分裂活動，兩倍於未感染者。
另外兩倍的產卵能力來自何處？在俄羅斯娃娃腰部， 另有強烈細胞凋亡活動（apoptosis），以調節卵的生產量。佛氏團隊用生化方法，測凋亡的活性，發現被感染之俄羅斯娃娃腰部，細胞凋亡降低了2倍左右。
在細胞階層，這項新研究指出，菌促進生殖細胞分裂，並降低其凋亡，能讓被感染雌蠅，生出4倍量的卵。
演化的推理，與政治推理相似，即「誰得利？」（Cui Bono），微寄生蟲接受了這演化邏輯，由寄生到互利。「巨寄生蟲」們，也該有此體會，努力的創造利益，讓被寄生者活得好些！
參考資料
Fast, E.M. et al., Wolbachia enhance Drosophila Stem Cell proliferation and target the Germline Stem Cell Niche, Science, Vol. 334: 990-992, 2011.
程樹德，任教陽明大學微免所
原文發表於科學月刊第四十三卷第六期
